含纤维素的纤维性基材可以在无机颗粒状材料的存在下微纤化以获得下述 微纤化纤维素，所述微纤化纤维素的众数纤维粒径（modal fibre particle size)为约 0. 1 μ m~500 μ m，并且众数无机颗粒状材料粒径为0. 25 μ m~20 μ m。包含纤维素的纤维 性基材可以在无机颗粒状材料的存在下微纤化以获得下述微纤化纤维素，所述微纤化纤维 素的众数纤维粒径为至少约〇· 5 μ m，例如至少约10 μ m，或至少约50 μ m，或至少约100 μ m， 或至少约150mm，或至少约200 μ m，或至少约300 μ m，或至少约400 μ m。
[0055] 包含纤维素的纤维性基材可以在无机颗粒状材料的存在下微纤化，以获得纤维陡 度等于或大于约1〇(如通过Malvern测得）的微纤化纤维素。纤维陡度（即，纤维的粒径 分布的陡度）通过下式确定：
[0056] 陡度=100 X (d3Q/d7。）
[0057] 微纤化纤维素可以具有等于或小于约100的纤维陡度。微纤化纤维素的纤维陡度 可以等于或小于约75,或者等于或小于约50,或者等于或小于约40,或者等于或小于约30。 微纤化纤维素的纤维陡度可以为约20~约50,或约25~约40,或约25~约35,或约30~ 约40。
[0058] 研磨在如翻滚式磨机（例如棒磨机、球磨机和自磨机）、搅拌式磨机（例如SAM或 IsaMill)、塔式磨机、搅拌式介质detritor磨机（SMD)等研磨容器或者在包含旋转的平行 研磨板（在所述平行研磨板之间供给拟研磨的物料）的研磨容器中适当进行。
[0059] 在一个实施方式中，研磨容器为塔式磨机。塔式磨机可以包含位于一个或多个研 磨区域上方的静止区域。静止区域是朝向塔式磨机顶部设置的区域，其中仅发生少量研磨 或者不发生研磨，所述区域还包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料。静止区域是研磨介质 的颗粒向下沉积至塔式磨机的一个或多个研磨区域中的区域。
[0060] 塔式磨机可以包含位于一个或多个研磨区域上方的分级器。在一个实施方式中， 分级器安装在顶部并被设置得邻近静止区域。分级器可以是水力旋流器。
[0061] 塔式磨机可以包含位于一个或多个研磨区域上方的筛网。在一个实施方式中，将 筛网设置为邻近静止区域和/或分级器。筛网的大小可设计为能使研磨介质与包含微纤化 纤维素和无机颗粒状材料的产物水悬浮液分离，并能促进研磨介质沉积。
[0062] 在一个实施方式中，研磨在栓塞流条件（plug flow condition)下进行。在栓塞 流条件下，通过塔的流体可以使通过塔的研磨材料进行受限的混合。这意味着，在塔式磨机 长度上的不同点处，水性环境将随微纤化纤维素陡度的增加而变化。因此，实际上，塔式磨 机中的研磨区域可以被认为包含一个或多个具有特性粘度的研磨区域。本领域技术人员会 理解，相邻的研磨区域之间不存在粘度上的明确界线。
[0063] 在一个实施方式中，在位于一个或多个研磨区域上方的靠近静止区域或分级器或 筛网的磨机的顶部添加水，以降低磨机中这些区域处的包含微纤化纤维素和无机颗粒状材 料的水悬浮液的粘度。通过稀释磨机中该点处的产物微纤化纤维素和无机颗粒状材料，已 经发现，防止研磨介质被携带至静止区域和/或分级器和/或筛网的作用得到了改善。此 外，通过塔的受限混合使得可以在较高处加工从塔中下降的固体，这些固体在顶部被从塔 中降下的稀释水的受限逆流所稀释，从而形成一个以上研磨区域。可以添加任何适量的水， 以有效稀释包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料的产物水悬浮液的粘度。水可在研磨过程 中连续添加，或者以相等的间隔或不规则的间隔添加。
[0064] 在另一个实施方式中，可以通过一个或多个注水点来向一个或多个研磨区域添加 水，所述注水点沿塔式磨机的长度设置，或者各注水点位于对应于所述一个或多个研磨区 域的位置。有利的是，沿塔式磨机的不同点添加水的能力能够进一步调节沿着磨机的任何 或所有位置处的研磨条件。
[0065] 塔式磨机可以包含在其整个长度上配备有一系列叶轮转子盘的垂直叶轮轴。叶轮 转子盘的动作在整个磨机中创建了一系列不连续的研磨区域。
[0066] 在另一个实施方式中，研磨在过筛研磨机（screened grinder)、优选搅拌式介质 detritor磨机中进行。过筛研磨机可以包含一个或多个筛网，所述筛网具有至少约250 μ m 的标称孔径，例如，一个或多个具有至少约300 μ m，或至少约350 μ m，或至少约400 μ m，或 至少约450 μ m，或至少约500 μ m，或至少约550 μ m，或至少约600 μ m，或至少约650 μ m，或 至少约700 μ m，或至少约750 μ m，或至少约800 μ m，或至少约850 μ m，或至少约900 μ m，或 至少约1000 μ m的标称孔径。
[0067] 上述筛网孔径适用于以上所述的塔式磨机实施方式。
[0068] 如上所述，研磨可以在研磨介质的存在下进行。在一个实施方式中，研磨介质是粗 介质，所述粗介质包括平均粒径为约1mm~约6mm，例如约2mm，或约3mm，或约4mm，或约5mm 的颗粒。
[0069] 在另一个实施方式中，研磨介质的比重至少为约2. 5,例如，至少约3,或至少约 3. 5,或至少约4. 0,或至少约4. 5,或至少约5. 0,或至少约5. 5,或至少约6. 0。
[0070] 在又一个实施方式中，研磨介质包括平均粒径为约1mm~约6mm并且比重至少为 约2. 5的颗粒。
[0071] 在另一个实施方式中，研磨介质包括平均粒径为约3mm并且比重为约2. 7的颗粒。
[0072] 如上所述，研磨介质（一种或多种）可以以装入料的至多约70体积％的量存在。 研磨介质可以以装入料的至少约10体积％的量存在，例如装入料的至少约20体积％的量， 或装入料的至少约30体积％的量，或装入料的至少约40体积％的量，或装入料的至少约50 体积％的量，或装入料的至少约60体积％的量。
[0073] 在一个实施方式中，研磨介质以装入料的约50体积％的量存在。
[0074] "装入料"是指作为供给至研磨容器中的物料的组合物。装入料包含水、研磨介质、 包含纤维素的纤维性基材和无机颗粒状材料以及如本说明书中所述的任何其他可选的添 加剂。
[0075] 使用较粗和/或较稠密的介质具有改进沉积速率（即，使其变得更快）和使通过 静止区域和/或分级器和/或筛网所携带出的介质减少的优点。
[0076] 使用较粗的研磨介质的的另一优点在于，无机颗粒状材料的平均粒径（d5。）在研 磨过程中不会显著降低，使得输入研磨系统的能量主要为微纤化包含纤维素的纤维性基材 所消耗。
[0077] 使用较粗的筛网的另一优点在于，可以在微纤化步骤中使用较粗或较稠密的研磨 介质。另外，使用较粗的筛网（即，具有至少约250 μπι的标称孔）可以加工较高固体含量 的产物并将其从研磨机中排出，这可以以经济可行的方法加工较高固体含量的物料（包含 包含纤维素的纤维性基材和无机颗粒状材料）。如下所述，已经发现，具有较高初始固体含 量的物料在能源效率方面是理想的。此外，还已发现，在较低固体含量下生成的产物（在给 定能量下）具有较宽的粒径分布。
[0078] 如以上"【背景技术】"中所述，本发明试图解决以工业规模经济地制备微纤化纤维素 的问题。
[0079] 因此，根据一个实施方式，包含纤维素的纤维性基材和无机颗粒状材料以至少约4 重量％的初始固体含量存在于水性环境中，其中至少约2重量％为包含纤维素的纤维性基 材。初始固体含量可以为至少约10重量％，或者至少约20重量％，或者至少约30重量％， 或者至少约至少40重量％。初始固体含量的至少约5重量％可以是包含纤维素的纤维性 基材，例如，初始固体含量的至少约10重量％，或至少约15重量％，或至少约20%可以是包 含纤维素的纤维性基材。
[0080] 在另一个实施方式中，研磨在多级研磨容器（cascade)中进行，所述研磨容器中 有一个或多个可以包含一个或多个研磨区域。例如，包含纤维素的纤维性基材和无机颗粒 状材料可以在两个以上研磨容器的组中研磨，所述两个以上研磨容器的组例如为串联的三 个以上研磨容器的组，或四个以上研磨容器的组，或五个以上研磨容器的组，或六个以上研 磨容器的组，或七个以上研磨容器的组，或八个以上研磨容器的组，或九个以上研磨容器的 组，或九个以上研磨容器的组，或包含十个研磨容器的组。研磨容器的组可以以串联或并联 或串联和并联的组合来有效连接。组中的一个或多个研磨容器的输出物和/或输入物可以 经过一个或多个筛选步骤和/或一个或多个分级步骤。
[0081] 微纤化过程中所耗费的总能量在组中各研磨容器中可以相等地分配。作为另外一 种选择，能量输入在组中的某些或所有研磨容器之间也可以有所不同。
[0082] 本领域技术人员将会理解，每个容器所耗费的能量在组中容器之间可以有所不 同，这取决于各容器中微纤化的纤维性基材的量，以及可选地取决于各容器中的研磨速度、 各容器中的研磨持续时间和各容器中的研磨介质的种类和无机颗粒状材料的种类和量。研 磨条件在组中各容器之间可以有所不同，以控制微纤化纤维素和无机颗粒状材料的粒径分 布。例如，研磨介质大小在组中相继的容器之间可以有所不同，以减少无机颗粒状材料的研 磨，将研磨包含纤维素的纤维性基材作为目标。
[0083] 在一个实施方式中，研磨在封闭线路中进行。在另一个实施方式中，研磨在开放线 路中进行。研磨可以以分批方式进行。研磨也可以以再循环分批方式进行。
[0084] 如上所述，研磨线路可以包含预研磨步骤，其中粗无机颗粒在研磨容器中被研磨 至预定的粒径分布，之后将包含纤维素的纤维性基材与预研磨的无机颗粒状材料合并，并 在同一或不同研磨容器中继续研磨，直至获得所需水平的微纤化。
[0085] 由于拟研磨的材料的悬浮液可能具有较高粘度，因此优选在研磨之前向悬浮液中 添加适当的分散剂。分散剂可以是例如水溶性缩聚磷酸盐、聚硅酸或其盐或聚合电解质，如 数均分子量不大于80, 000的聚（丙烯酸）或聚（甲基丙烯酸）的水溶性盐。相对于干无 机颗粒状固体材料的重量，所使用的分散剂的量通常为0. 1重量％~2. 0重量％。悬浮液 可以在4°C~100°C的温度适当研磨。
[0086] 在微纤化步骤中可以包含的其他添加剂包括：羟甲基纤维素、两性羟甲基纤维素、 氧化剂、2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO)、TEMPO衍生物和木材降解酶。
[0087] 拟研磨的材料的悬浮液的pH可以为约7或大于约7 (即碱性），例如悬浮液的pH可 以为约8,或约9,或约10,或约11。拟研磨的材料的悬浮液的pH可以小于约7 (即酸性）， 例如悬浮液的pH可以为约6,或约5,或约4,或约3。拟研磨的材料的悬浮液的pH可以通 过添加适量的酸或碱来调节。适当的碱包括碱金属氢氧化物，如NaOH等。其他适当的碱为 碳酸钠和氨。适当的酸包括无机酸，如盐酸和硫酸等，或者有机酸。示例性酸为正磷酸。
[0088] 拟共研磨的混合物中无机颗粒状材料与纤维素纸浆的量的比例（基于无机颗粒 状材料的干重和纸浆中干纤维的量）可以为约99. 5:0. 5~约0. 5:99. 5,例如比例（基于无 机颗粒状材料的干重和纸浆中干纤维的量）可以为约99. 5:0. 5~约50:50。例如，无机颗 粒状材料与干纤维的量的比例可以为约99. 5:0. 5~约70:30。在一个实施方式中，无机颗 粒状材料与干纤维之比为约80:20，或者例如约85:15，或约90:10，或约91:9，或约92:8，或 约93:7,或约94:6,或约95:5,或约96:4,或约97:3,或约98:2,或约99:1。在一个优选实 施方式中，无机颗粒状材料与干纤维的重量比为约95: 5。在另一个优选实施方式中，无机颗 粒状材料与干纤维的重量比为约90:10。在又一个优选实施方式中，无机颗粒状材料与干纤 维的重量比为约85:15。在另一个优选实施方式中，无机颗粒状材料与干纤维的重量比为约 80:20。
[0089] 基于无机颗粒状填料的总干重，获得所需水悬浮液组合物的典型研磨过程中的总 能量输入通常为约lOOkWht 1~1500kWht、总能量输入可以小于约lOOOkWht \例如，小 于约800kWht \小于约600kWht \小于约500kWht \小于约400kWht \小于约300kWht \ 或小于约200kWht、由此本发明人惊讶地发现，当纤维素纸浆在无机颗粒状材料的存在 下共研磨时，其可以在较低能量输入下被纤维化。约显而易见的是，在包含纤维素的纤维 性基材中，每公吨干纤维的总能量输入将小于10, OOOkWht \例如，小于约9000kWht \或 小于约8000kWht \或小于约7000kWht \或小于约6000kWht \或小于约5000kWht \例如 小于约4000kWht \小于约3000kWht \小于约2000kWht \小于约1500kWht \或小于约 1200kWht \小于约1000kWht \或小于约800kWht \总能量输入根据微纤化的纤维性基材 中的干纤维的量，和可选地根据研磨速度和研磨持续时间而变化。
[0090] ?均化
[0091] 包含纤维素的纤维性基材的微纤化可以通过下述方法在无机颗粒状材料的存在 下于湿条件下进行，在所述方法中，纤维素纸浆和无机颗粒状材料的混合物被加压（例如， 达到约500巴的压力），然后被送向压力较低的区域。混合物被送向低压区域的速率足够 高，并且低压区域的压力足够低，因而可以引起纤维素纤维的微纤化。例如，压力降低可以 通过迫使混合物通过具有狭窄入口和大得多的出口的环状开口而实现。伴随混合物加速进 入较大体积（即，压力较低的区域）的压力急剧降低诱发了引起微纤化的空化作用。在一个 实施方式中，包含纤维素的纤维性基材的微纤化可以在无机颗粒状材料的存在下于湿条件 下在均化器中实现。在均化器中，纤维素纸浆-无机颗粒状材料混合物被加压（例如，达到 约500巴的压力），并被强制通过小喷嘴或孔板。混合物可以被加压至约100巴~约1000 巴的压力，例如加压至下述压力：等于或大于300巴，或等于或大于约500巴，或等于或大于 约200巴，或等于或大于约700巴。均化使纤维受到高剪切力，使得当加压的纤维素纸浆离 开喷嘴或孔板时，空化作用引起纸浆中纤维素纤维的微纤化。可以添加额外的水，以改善通 过均化器的悬浮液的流动性。可以将所获得的包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料的水悬 浮液供回至均化器的入口中，以使其多次通过均化器。在一个优选实施方式中，无机颗粒状 材料为天然板状矿物，如高岭土。这样，均化不仅促进了纤维素纸浆的微纤化，还促进了板 状颗粒状材料的分层。
[0092] 板状颗粒状材料，如高岭土，被认为具有至少约10的形状因子，所述形状因子例 如为至少约15,或至少约20,或至少约30,或至少约40,或至少约50,或至少约60,或至少 约70,或至少约80,或至少约90,或至少约100。此处所使用的形状因子为对于不同粒径和 形状的颗粒的总体测定的粒径与颗粒浓度之比，其如利用美国专利第5, 576, 617号（通过 援引将其内容并入本说明书中）中所述的导电方法、装置和方程而测得。
[0093] 板状无机颗粒状材料（如高岭土）的悬浮液可以在不存在包含纤维素的纤维性基 材下于均化器中处理至预定粒径分布，之后向无机颗粒状材料的水性浆料中添加包含纤维 素的纤维性材料，并如上所述在均化器中加工合并的悬浮液。继续进行均化器加工（包括 通过均化器一次或多次），直至获得所需水平的微纤化。类似的是，可以将板状无机颗粒状 材料在研磨机中处理至预定粒径分布，然后将其与包含纤维素的纤维性材料合并，随后在 均化器中加工。
[0094] 示例性的均化器为Manton Gaulin (APV)均化器。
[0095] 进行完微纤化步骤之后，对包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料的水悬浮液进行 筛分，以除去大于某一尺寸的纤维和除去任何研磨介质。例如，可以利用具有选定标称孔径 的筛来对悬浮液进行筛分，以除去未通过筛的纤维。标称孔径是指方形孔的对边的标称中 心间隔（nominal central separation)或圆形孔的标称直径。筛可以是BSS筛（符合英 国标准（BS) 1796)，其标称孔径为150 μ m，例如，标称孔径为125 μ m，或106 μ m，或90 μ m，或 74 μ m，或63 μ m，或53 μ m、45 μ m，或38 μ m。在一个实施方式中，使用标称孔径为125 μ m的 BSS筛来筛分水悬浮液。可选的是，然后可以使水悬浮液脱水。
[0096] 水悬浮液
[0097] 根据上述方法生产的本发明的水悬浮液适于用在造纸或涂布纸的方法中。
[0098] 由此，本发明涉及一种包含下述物质、由下述物质构成或者主要由下述物质构成 的水悬浮液：微纤化纤维素和无机颗粒状材料和其他可选添加剂。所述水悬浮液适于用在 造纸或涂布纸的方法中。其他可选添加剂包括分散剂、杀虫剂、分散助剂、盐和其他添加剂， 例如淀粉或羟甲基纤维素或聚合物，它们可以在研磨过程中或之后促进矿物颗粒与纤维的 相互作用。
[0099] 无机颗粒状材料可以具有下述粒径分布，所述粒径分布使得至少约10重量％、例 如至少约20重量％，例如至少约30重量％，例如至少约40重量％，例如至少约50重量％， 例如至少约60重量％，例如至少约70重量％，例如至少约80重量％，例如至少约90重 量％，例如至少约95重量％，或例如约100体积％的颗粒具有小于2mm的e. s. d。
[0100] 在另一个实施方式中，无机颗粒状材料可以具有如通过Malvern Mastersizer S 机测得的下述粒径分布，所述粒径分布使得至少约10体积％、例如至少约20体积％，例如 至少约30体积％，例如至少约40体积％，例如至少约50体积％，例如至少约60体积％，例 如至少约70体积％，例如至少约80体积％，例如至少约90体积％，例如至少约95体积％， 或例如约100体积％的颗粒具有小于2mm的e. s. d。
[0101] 拟共研磨的混合物中无机颗粒状材料和纤维素纸浆的量的比例（基于无机颗粒 状材料的干重和纸浆中干纤维的量）可以为约99. 5:0. 5~约0. 5:99. 5,例如比例（基于无 机颗粒状材料的干重和纸浆中干纤维的量）可以为约99. 5:0. 5~约50:50。例如，无机颗 粒状材料与干纤维的量的比例可以为约99. 5:0. 5~约70:30。在一个实施方式中，无机颗 粒状材料与干纤维之比为约80:20，或者例如约85:15，或约90:10，或约91:9，或约92:8，或 约93:7,或约94:6,或约95:5,或约96:4,或约97:3,或约98:2,或约99:1。在一个优选实 施方式中，无机颗粒状材料与干纤维的重量比为约95: 5。在另一个优选实施方式中，无机颗 粒状材料与干纤维的重量比为约90:10。在又一个优选实施方式中，无机颗粒状材料与干纤 维的重量比为约85:15。在另一个优选实施方式中，无机颗粒状材料与干纤维的重量比为约 80:20。
[0102] 在一个实施方式中，组合物不包含下述纤维，所述纤维太大以致无法通过下述BSS 筛（符合BS 1796)，所述BSS筛的标称孔径为150 μ m，例如，标称孔径为125 μ m，106 μ m，或 90 μ m，或74 μ m，或63 μ m，或53 μ m、45 μ m，或38 μ m。在一个实施方式中，使用标称孔径为 125 μ m的BSS筛来筛分水悬浮液。
[0103] 因此，应当理解，如果处理了研磨或均化的悬浮液从而除去了超过选定大小的纤 维，则研磨或均化后水悬浮液中的微纤化纤维素的量（即，重量％ )可能低于纸浆中干纤维 的量。因此，可以在除去了超过选定大小的纤维之后，根据水悬浮液中所需的微纤化纤维素 的量调整供给至研磨机或均化器的纸浆与无机颗粒状材料的相对量。
[0104] 在一个实施方式中，无机颗粒状材料为碱土金属碳酸盐，例如碳酸钙。无机颗粒状 材料可以是研磨碳酸钙（GCC)或沉淀碳酸钙（PCC)，或者GCC和PCC的混合物。在另一个 实施方式中，无机颗粒状材料为天然板状矿物，例如高岭土。无机颗粒状材料可以是高岭土 和碳酸钙的混合物，例如高岭土和GCC的混合物，或者高岭土和PCC的混合物，或者高岭土、 GCC和PCC的混合物。
[0105] 在另一个实施方式中，处理水悬浮液以除去至少部分或基本全部水，从而形成部 分干燥或基本完全干燥的产物。例如，可以从水悬浮液中除去水悬浮液中至少约10体积％ 的水，例如可以除去水悬浮液中至少约20体积％，或至少约30体积％，或至少约40体 积％，或至少约50体积％，或至少约60体积％，或至少约70体积％，或至少约80体积％， 或至少约90体积％，或至少约100体积％的水。可以采用任何适当技术来从水悬浮液中除 水，例如，通过加压或不加压的重力或真空助力的排放，或通过蒸发，或通过过滤，或通过这 些技术的组合。部分干燥或基本完全干燥的产物包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料和可 在干燥之前添加至水悬浮液中的任何其他可选添加剂。可以将部分干燥或基本完全干燥的 产物存储或包装以用于销售。如本说明书中所述，部分干燥或基本完全干燥的产物可以可 选地被再水合和并入造纸组合物和其他纸制品中。
[0106] 纸制品及其制备工艺
[0107] 包含微纤化纤维素和无机颗粒状材料的水悬浮液可以被并入造纸组合物中，所述 造纸组合物又可